Transistores

Electrónica
Tema 3
Transistores
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Contenido
•
•
•
•
•
•
Ideas básicas
Regiones de operación
Aproximaciones
Recta de carga y punto de trabajo
Amplificación y conmutación
El transistor operacional
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Transistor no polarizado
• Tres regiones dopadas: emisor, base y
colector
• Dos uniones pn: emisor-base y basecolector
• NPN o PNP
• Silicio o germanio
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El transistor de unión bipolar tiene 3 regiones dopadas.
N
COLECTOR (dopaje medio)
P
BASE (dopaje ligero)
N
EMISOR (dopaje fuerte)
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Transistor polarizado en la
región activa
• El diodo de emisor se polariza en directa.
• El diodo de colector se polariza en
inversa.
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En un transistor NPN apropiadamente polarizado, los electrones de
emisor se difunden a la base y llegan hasta el colector.
RC
N
VCE
RB
P
VBE
VCC
N
VBB
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Corrientes del transistor
• La relación entre la corriente de colector
y la corriente de base es la ganancia en
corriente (βdc o hFE)
• Típicamente, la ganancia en corriente
está en el rango de 100 a 300.
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IC
IC
IB
IB
IE
IE
Flujo convencional
IC ≅ IE
IE = IC + IB
αdc =
Flujo de electrones
IC
IE
βdc =
IB << IC
IC
IB
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Conexión en emisor común
• El emisor se conecta a tierra o punto
común.
• La unión base-emisor actúa como un
diodo.
• La unión base-colector actúa como una
fuente de corriente que es igual a βdc
veces la corriente de base.
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La conexión en emisor común tiene dos bucles:
el bucle de base y el bucle de colector.
Bucle de
colector
RB
RC
VCE
VCC
Bucle
de base
VBE
VBB
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Notación de subíndices
• Cuando los subíndices son iguales, la
tensión representa una fuente (VCC).
• Cuando los subíndices son diferentes, se
trata de la tensión entre dos puntos (VCE).
• Los subíndices únicos se emplean para
designar tensiones de nodos considerando
tierra con la referencia (VC).
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Curva característica de entrada
• Gráfica similar a la de un diodo.
• Las aproximaciones del diodo se utilizan
en los análisis (típicamente, la ideal o la
segunda).
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El circuito de base normalmente se analiza con la
misma aproximación utilizada para los diodos.
VBB - VBE
IB =
RC
RB
VCE
VCC
RB
VBE
VBB
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Gráfica de IC en función VCE
(Observe que cada nuevo valor de IB da lugar a una nueva curva.)
100 µA
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12
10
IC en mA 8
6
4
2
80 µA
60 µA
40 µA
20 µA
0 2 4 6
8 10 12 14 16 18
0 µA
VCE en voltios
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Este conjunto de curvas se dice que es una familia de curvas.
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Regiones de operación (npn)
• Activa (VBE en directa y VBC en inversa) - - usada para amplificación lineal.
• Activa Inversa (VBE en inversa y VBC en
directa)
• Corte (VBE en inversa y VBC en inversa) - - usada para aplicaciones de conmutación.
• Saturación (VBE en directa y VBC en directa)
- - - usada en aplicaciones de conmutación.
• Disrupción - - - puede destruir el transistor
y debe evitarse.
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Aproximaciones del circuito de
transistor
• Primera: trata el diodo base-emisor como ideal
y utiliza βIB para determinar IC. Se utiliza en la
detección de averías.
• Segunda: corrección de VBE y emplea βIB para
determinar IC.
• Tercera (y superiores): corrección de la
resistencia interna y otros efectos. Normalmente,
se realiza mediante una simulación por
computadora. Se emplea en trabajos de diseño.
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La segunda aproximación:
VBE = 0,7 V
βdcIB
VCE
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VBB - VBE
IB =
IB =
RB
5 V - 0,7 V
100 kΩ
Ω
= 43 µA
RC
100 kΩ
Ω
VCC
RB
VBB
5V
VBE = 0,7 V
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IC = βdc IB
IC = 100 x 43 µA = 4,3 mA
100 kΩ
Ω
RC
βdc = 100
RB
VCC
IB = 43 µA
VBB
5V
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VRC = IC x RC
VRC = 4,3 mA x 1 kΩ
Ω = 4,3 V
100 kΩ
Ω
1 kΩ
Ω
RC
IC = 4,3 mA
12 V
RB
VCC
IB = 43 µA
VBB
5V
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VCE = VCC - VRC
IC = 4,3 mA
1 kΩ
Ω
VCE = 12 V - 4,3 V = 7,7 V
100 kΩ
Ω
RC
VCE
12 V
RB
VCC
IB = 43 µA
VBB
5V
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Gráfica de la región de disrupción de colector
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12
10
IC en mA 8
6
4
2
0
50
VCE en Voltios
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Ganancia en corriente
• Depende:
del transistor
de la corriente de colector
de la temperatura
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Polarización de base
• Establecer un valor fijo de la corriente de
base.
• Tensión de alimentación de la base (VBB)
dividida entre la resistencia de base (RB).
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VCE = VCC - ICRC
1 kΩ
Ω
RC
VCE
RB
VBB
12 V
VCC
12 V
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Recta de carga
• Relaciona la corriente de saturación
(ICsat) con la tensión de corte (VCEcorte ).
• Es un resumen visual de todos los puntos
de trabajo posibles del transistor.
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VCC - VCE
IC =
RC
La gráfica de esta ecuación
produce una recta de carga.
100 µA
14
12
10
IC en mA 8
6
4
2
80 µA
60 µA
40 µA
20 µA
0 2 4 6
8 10 12 14 16 18
0 µA
VCE en Voltios
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12 V
IC =
1 kΩ
Ω
1 kΩ
Ω
RC
Cortocircuito
mental
RB
VBB
12 V
VCC
12 V
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12 V
= 12 mA
IC =
1 kΩ
Ω
Ésta es la corriente de
saturación (máxima).
100 µA
14
12
10
IC en mA 8
6
4
2
80 µA
60 µA
40 µA
20 µA
0 2 4 6
8 10 12 14 16 18
0 µA
VCE en Voltios
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1 kΩ
Ω
RB
VBB
RC
Circuito abierto
mental
12 V
VCC
12 V
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VCE(corte) = VCC
100 µA
14
12
10
IC en mA 8
6
4
2
80 µA
60 µA
40 µA
20 µA
0 2 4 6
8 10 12 14 16 18
0 µA
VCE en Voltios
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Pendiente de la recta de carga
• Variar la tensión de alimentación del
colector manteniendo la misma
resistencia de colector produce dos rectas
de carga.
• Estas rectas de carga tendrán la misma
pendiente pero tendrán diferentes valores
de saturación y de corte.
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La misma pendiente con ICsat y VCEcorte nuevas.
100 µA
14
12
10
IC en mA 8
6
4
2
0 2 4 6
80 µA
60 µA
40 µA
20 µA
8 10 12 14 16 18
0 µA
VCE en Voltios
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Cambiando RC:
1 kΩ
Ω
750
RC
VCE
RB
VBB
12 V
VCC
12 V
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Una RC más pequeña produce un valor más grande
de ICsat y una pendiente más pronunciada.
100 µA
14
12
10
IC en mA 8
6
4
2
0 2 4 6
80 µA
60 µA
40 µA
20 µA
8 10 12 14 16 18
0 µA
VCE en Voltios
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Punto de trabajo
• Se determina:
Hallando los puntos de la corriente de
saturación y de la tensión de corte.
Conectando los puntos para generar una
recta de carga.
El punto de trabajo (Q) queda determinado
por el valor de la corriente de base.
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Un circuito puede operar en cualquier punto de la recta de carga.
100 µA
14
12
10
IC en mA 8
6
4
2
0 2 4 6
80 µA
60 µA
40 µA
20 µA
8 10 12 14 16 18
0 µA
VCE en Voltios
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El punto de trabajo queda determinado por la corriente de base.
VBB - VBE
IB =
IB =
RB
12 V - 0,7 V
283 kΩ
Ω
1 kΩ
Ω
= 40 µA
RB = 283 kΩ
Ω
VBB
RC
12 V
VCC
12 V
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El punto de trabajo es el punto Q o punto de reposo.
14
12
10
IC en mA 8
6
4
2
100 µA
80 µA
60 µA
Q
40 µA
20 µA
0 2 4 6
8 10 12 14 16 18
0 µA
VCE en Voltios
Este punto Q está en la región lineal.
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Saturación y corte son puntos de trabajo no-lineales.
100 µA
14
12
10
IC en mA 8
6
4
2
80 µA
60 µA
40 µA
20 µA
0 2 4 6
8 10 12 14 16 18
0 µA
VCE en Voltios
Estos puntos Q se utilizan en las aplicaciones de conmutación.
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Circuitos de transistor
• Amplificación y conmutación.
• Amplificación – el punto Q se encuentra
en la región activa.
• Conmutación – el punto Q conmuta entre
la saturación y el corte.
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Cómo reconocer la saturación
• Suponer operación lineal.
• Realizar los cálculos para obtener las
corrientes y las tensiones.
• Un resultado imposible significa que la
suposición es falsa.
• Un resultado imposible indica saturación.
• Si la relación entre la resistencia de base
y de colector es 10:1, el transistor se
satura.
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El transistor como conmutador
• Se emplea polarización de base.
• El punto Q conmuta entre la saturación y
el corte.
• Los circuitos de conmutación, también
denominados circuitos de dos estados, se
utilizan en aplicaciones digitales.
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Polarización de base
• La corriente de base queda establecida
por VBB y RB.
• La corriente de colector es β veces mayor
en los circuitos lineales.
• La ganancia en corriente del transistor
tendrá un efecto mayor sobre el punto de
trabajo.
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Polarización de emisor
• La resistencia de polarización se mueve
del circuito de base al de emisor.
• Proporciona puntos Q que son inmunes a
las variaciones de la ganancia en
corriente.
• Se emplea en amplificadores lineales.
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Polarización de emisor:
VBB - VBE
IE =
= 1,95 mA
IC ≅ IE
11 kΩ
Ω
kΩ
Ω
RE
15 V
VBB
RC
5V
2,2 kΩ
Ω
VCC
RE
VC = 15 V - (1,95 mA)(1 kΩ
Ω) = 13,1 V
VCE = 13,1 V - 4,3 V = 8,8 V
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Comparación de los
métodos de polarización
• La polarización de base está sujeta a las
variaciones de la ganancia en corriente del
transistor.
• La polarización de base está sujeta a los efectos
de la temperatura.
• La polarización de emisor elimina
prácticamente estos efectos.
• La ganancia en corriente del transistor no es
necesaria cuando se aplica a los circuitos la
polarización de emisor.
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Amplificador operacional
• Entradas no inversora e inversora
• Salida asimétrica (un solo terminal)
• Un amplificador perfecto – una fuente de
tensión controlada por tensión
• Un amplificador operacional ideal tiene:
Ganancia de tensión en bucle abierto infinita
Resistencia de entrada infinita
Impedancia de salida cero
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El amp op 741C es un estándar de la industria.
Rout
vout
v1
Rin
AVOL(v1-v2)
v2
Rin = 2 MΩ
Ω
Rout = 75 Ω
AVOL = 100.000
Iin(bias) = 80 nA
Iin(off) = 20 nA
Vin(off) = 2 mV
funity = 1 MHz
CMRR = 90 dB
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AVOL
Diagrama de Bode del amp op 741C
100 dB
80 dB
Pendiente de
20 dB/década
60 dB
40 dB
20 dB
0 dB
10 Hz 100 Hz
1 kHz
10 kHz 100 kHz 1 MHz
funidad
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Amplificador operacional
inversor
• Es el circuito amplificador operacional
más básico.
• Utiliza realimentación negativa para
estabilizar la ganancia de tensión en lazo
cerrado.
• La ganancia de tensión en lazo cerrado es
igual a la resistencia de realimentación
dividida entre la resistencia de entrada.
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El amplificador inversor
Rf
R1
La realimentación negativa produce una
tierra virtual en el terminal inversor.
Una tierra virtual es un cortocircuito para tensión
pero un circuito abierto para las corrientes.
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Análisis del amplificador inversor
Rf
R1
vin
iin
iin
vout
vin = iinR1 y vout = -iinRf
vout
-Rf
AO(CL)= v =
R1
in
zin(CL) = R1
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Amplificador operacional
no inversor
• Es un circuito amplificador operacional
básico.
• Utiliza realimentación negativa para
estabilizar la ganancia en lazo cerrado.
• La ganancia de tensión en lazo cerrado es
igual a la resistencia de realimentación
dividida entre la resistencia de entrada
más 1.
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El amplificador no inversor
Rf
La realimentación negativa
produce un cortocircuito virtual.
R1
Un cortocircuito virtual es un cortocircuito para las tensiones
pero un circuito abierto para la corriente.
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Análisis del amplificador no inversor
vout
vin
vin = i1R1 y vout = i1(Rf+R1)
i1
Rf
i1
R1
vout
Rf+R1
Rf
+1
=
AV(CL) = v =
R1
R1
in
zin(CL) → ∞
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Aplicación del amp. operacional:
amplificador sumador
• Un amplificador sumador tiene dos o más
entradas y una salida.
• Cada entrada es amplificada por su
ganancia de canal.
• Si todas las ganancias de canal son
iguales a la unidad, la salida es igual a la
suma de las entradas.
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El amplificador sumador
v1
v2
R1
Rf
R2
vout
-Rf
v1 +
vout =
R1
-Rf
v2
R2
En un mezclador, un amplificador sumador puede amplificar y
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combinar señales de audio.
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Otros amplificadores operacionales
• Los amplificadores operacionales BIFET ofrecen
corrientes extremadamente bajas.
• Los amplificadores operacionales de alta potencia
proporcionan amperios de corriente de salida.
• Los amplificadores operacionales de alta
velocidad operan a decenas o cientos de
voltios/µ
µs y algunos tienen cientos de MHz de
ancho de banda.
• Los amplificadores operacionales de precisión
presentan errores de offset pequeños y poca
deriva con la temperatura.
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